CN110261893A - 一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤传感和微震监测技术领域，具体涉及一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头。该传感器探头包括传感探头外壳、参考臂弹性体、传感臂弹性体、质量块基座、调节螺母、阻尼环、传感探头顶盖；光纤耦合器连接的入射光纤、反射光纤、参考臂光纤、传感臂光纤与参考臂反射镜、传感臂反射镜构成完整的传感光路；激光光源传输至传感探头，传感探头内携带震动信息的信号光与参考光在光纤耦合器处发生干涉，经反射光纤传输至信号解调仪，恢复待测微震信号。本发明保证传感器高灵敏的同时引入阻尼可调技术，使传感器谐振频率处灵敏度降低，使频响曲线更平坦，扩展探测频宽，改善其幅频和相频特性，可无损获取微震信号。

Description

一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头
技术领域
本发明涉及光纤传感和微震监测技术领域，尤其涉及一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头。
背景技术
随着光电子技术和光纤技术的不断发展，以光纤作为传输元件的光纤通信技术和以光纤作为敏感元件的光纤传感技术得到迅速发展。用于加速度、位移、应力等物理量测量的光纤传感器日益兴起，相对于与传统压电、超声等传感器，光纤传感器有显著优点：质量轻、尺寸小；动态范围大，工作频带宽；无源性、抗电磁干扰，可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境；易复用和形成传感网络；易实现实时、在线、分布式传感等。其已广泛应用于大型建筑物健康、矿山边坡、周界安全等监测领域，特别是在煤矿安全领域应用广泛。
我国煤与瓦斯突出灾难事故频发，煤与瓦斯突出机理及灾害预警防治已成为国内外专家学者研究的热点和难点，微破裂扩展及其微震活动是煤与瓦斯突出灾害前兆。传统微震监测系统前端均为电学加速度传感器，本质不安全，且检测精度较低频带窄，无法实现微弱信号的高灵敏拾取。光纤加速度传感器前置探头本质安全，且灵敏度高频带宽，可解决上述不足，已成为微震监测领域的发展趋势。
公开号为CN 105277739 A的专利申请公开了一种应变悬臂光纤加速度传感器及其制备方法，通过采用多个应变悬臂以及质量块的组合，可以在一个传感器中实现多维度的加速度探测。该传感器结构复杂，属强度调制，检测灵敏度低。
公开号为CN 107143601 A的专利申请公开了一种液体阻尼器，在筒内灌入阻尼液，阻尼液的流动耗能产生阻尼作用，在航空、航天以及机械等低频高振幅场合广泛应用。但在高于200Hz的微振动激励下，流体自身压缩不流动而无法耗能，阻尼较小。
公开号为CN 108278320 A的专利申请公开了一种磁流变阻尼器复合工作模式大出力方法及阻尼器，活塞克服轴向和周向的双重阻尼，复合了两种磁流变阻尼器典型工作模式，活塞外周表面的滞磁圈增加阻尼通道的有效长度。但存在结构复杂，滞磁圈等磁性物体更不适用于煤矿高电磁环境的不足。
因此，需要发明一种检测灵敏度高，适用于煤矿高电磁环境的传感器。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头，该探头可以使传感器谐振频率处灵敏度降低，使频响曲线更平坦，扩展探测频宽，改善其幅频和相频特性，可无损获取微震信号，特别适用于煤矿高电磁环境。
本发明解决上述技术问题的方案是：
一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头，其特征在于：该传感器探头由圆筒状的传感探头外壳、传感探头顶盖、位于所述的传感探头外壳内部且与其同心并由其底部向上依次固定连接的传感臂弹性体、阻尼调节装置、参考臂弹性体以及光纤耦合器、由所述的传感探头顶盖设有的光纤导入口引入传感探头并与光纤耦合器相连接的入射光纤和反射光纤、由光纤耦合器引出的参考臂光纤和传感臂光纤和参考臂反射镜、传感臂反射镜组成；
其中，所述的传感探头外壳和所述的传感探头顶盖通过螺纹连接形成一密闭腔体；所述的光纤导入口由玻璃胶或硅胶密封；
所述的阻尼调节装置由圆环状的质量块基座、与所述的质量块基座以螺纹连接的调节螺母和阻尼环组成，其中，质量块基座在其两端面间设有贯穿的传感光纤引入口，其与所述的调节螺母连接处的外周形成一梯形槽，所述的阻尼环装设在所述的梯形槽中并与传感探头外壳的内壁相接触；
所述的参考臂光纤缠绕在所述的参考臂弹性体的外周，其末端装设有所述的参考臂反射镜；
所述的传感臂光纤穿过所述的传感光纤引入口，并缠绕在传感臂弹性体的外周，其末端装设有所述的传感臂反射镜。
优选地，所述阻尼环可采用聚氨酯、硅橡胶、塑料、皮革等材质制成。
优选地，所述的传感光纤引入口、光纤导入口的孔口边缘为圆弧倒角，可以防止光纤穿过时折断。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：阻尼可调、频带宽、灵敏度高、系统参数设计灵活、本安型。
1、频带宽：本发明在设计高灵敏度的全光纤加速度微震监测传感器过程中引入阻尼技术，阻尼环与传感器外壳内壁摩擦耗能降低传感器谐振频率处灵敏度，使频响曲线更平坦，扩展探测频宽，可实现硬岩等高频震动测试；
2、阻尼可调：本发明在引入阻尼技术的同时，通过改变调节螺母的位置可调节梯形槽的大小，从而改变阻尼环与传感器传感探头外壳内壁挤压程度，基于此，调节阻尼大小，达到最佳阻尼效果；
3、灵敏度高：本发明采用光纤干涉技术和相位解调技术，相比于光纤光栅加速度传感器和传统电学微震监测系统，其灵敏度更高、动态范围更大，可获取信号更弱的微震信息，且易大规模组网，实现大区域微震监测；
4、系统参数设计灵活：本发明在传感器制作过程中，针对软岩硬岩等不同应用环境，可通过改变换能器等部件的设计参数以满足不同环境的使用需求；
5、本安型：本发明中传感探头均为光学结构，井下部分全部由无源光学器件构成，突破了传统微震监测井下设备需要供电的弊端。
附图说明
图1为本发明公开的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头的结构示意图；
图2～图3为本发明公开的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头的质量块基座的结构示意图，其中图2为质量块基座的主视图，图3为图2的A-A剖视图；
图4～图5为本发明公开的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头的调节螺母的结构示意图，其中图4为调节螺母的主视图，图5为图4的B-B剖视图；
图6～图7为本发明公开的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头的传感探头顶盖的结构示意图，其中图6为传感探头顶盖的主视图，图7为图6的C-C剖视图
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
参见图1～图7，本发明所公开的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头，其用于拾取微震信号的传感探头3由圆筒状的传感探头外壳301、传感探头顶盖309、位于所述的传感探头外壳301内部且与其同心并由其底部向上依次固定连接的传感臂弹性体307、阻尼调节装置、参考臂弹性体302以及光纤耦合器2、由所述的传感探头顶盖309设有的光纤导入口308引入传感探头3并与光纤耦合器2相连接的入射光纤201和反射光纤202、由光纤耦合器2引出的参考臂光纤204和传感臂光纤205、参考臂反射镜203和传感臂反射镜206组成。
其中，所述的入射光纤201与产生激光的激光光源1相连接，所述的反射光纤202与用于微震信号解调的信号解调仪4相连接，使激光光源1、信号解调仪4和传感探头3组成一完整的微震监测系统。
参见图1及图6～7，所述的传感探头外壳301和所述的传感探头顶盖309通过螺纹连接形成一密闭腔体；所述的光纤导入口308由玻璃胶或硅胶密封。
参见图1及图2～5，所述的阻尼调节装置由圆环状的质量块基座303、与所述的质量块基座303以螺纹连接的调节螺母304和阻尼环305组成，其中，质量块基座303在其两端面间设有贯穿的传感光纤引入口306，其与所述的调节螺母304连接处的外周形成一梯形槽，所述的阻尼环305装设在所述的梯形槽中并与传感探头外壳301的内壁相接触；阻尼环305由聚氨酯、硅橡胶、塑料或皮革制成。
所述的参考臂光纤204缠绕在所述的参考臂弹性体302的外周，其末端装设有所述的参考臂反射镜203。
所述的传感臂光纤205穿过所述的传感光纤引入口306，并缠绕在传感臂弹性体307的外周，其末端装设有所述的传感臂反射镜206。
传感光纤引入口306和光纤导入口308的孔口边缘为圆弧倒角。
由本发明公开的的传感探头3组成的微震监测系统工作时，激光光源1通过入射光纤201连接光纤耦合器2的输入端传输至传感探头3，传感探头3内携带震动信息的信号光与参考光在光纤耦合器2处发生干涉，并经反射光纤202传输至信号解调仪4，即可恢复出待测微震信号。探头3在接收微震信号的同时，阻尼环305与传感探头外壳301内壁摩擦，使机械能转化为摩擦内能而消耗，产生阻尼力；改变调节螺母304的位置可调节梯形槽的大小，从而改变阻尼环305与传感探头外壳301内壁挤压程度，基于此，阻尼力大小可随阻尼环305与传感探头外壳301之间摩擦力的改变而发生变化，实现阻尼可调。
在全光纤加速度微震监测传感器的结构中巧妙加入阻尼环305设计，将动能转化为摩擦内能，有效降低谐振频率处灵敏度，扩宽探头频宽。且在引入阻尼技术的同时，通过改变调节螺母304的位置可调节梯形槽的大小，改变阻尼环305与传感探头外壳301内壁挤压程度，从而调节阻尼大小；故本发明中，基于阻尼结构的宽频响加速度微震监测传感器更适用于硬岩环境中，可全程监测煤岩体从微小破裂到宏观破坏演化过程，实现更高频率微震信号的保真拾取，从而实现对煤矿灾害预警，具有高度的产业利用价值。

Claims (3)

1.一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头，其特征在于：该传感器探头由圆筒状的传感探头外壳(301)、传感探头顶盖(309)、位于所述的传感探头外壳(301)内部且与其同心并由其底部向上依次固定连接的传感臂弹性体(307)、阻尼调节装置、参考臂弹性体(302)以及光纤耦合器(2)、由所述的传感探头顶盖(309)设有的光纤导入口(308)引入传感探头(3)并与光纤耦合器(2)相连接的入射光纤(201)和反射光纤(202)、由光纤耦合器(2)引出的参考臂光纤(204)和传感臂光纤(205)和参考臂反射镜(203)、传感臂反射镜(206)组成；
其中，所述的传感探头外壳(301)和所述的传感探头顶盖(309)通过螺纹连接形成一密闭腔体；所述的光纤导入口(308)由玻璃胶或硅胶密封；
所述的阻尼调节装置由圆环状的质量块基座(303)、与所述的质量块基座(303)以螺纹连接的调节螺母(304)和阻尼环(305)组成，其中，质量块基座(303)在其两端面间设有贯穿的传感光纤引入口(306)，其与所述的调节螺母(304)连接处的外周形成一梯形槽，所述的阻尼环(305)装设在所述的梯形槽中并与传感探头外壳(301)的内壁相接触；
所述的参考臂光纤(204)缠绕在所述的参考臂弹性体(302)的外周，其末端装设有所述的参考臂反射镜(203)；
所述的传感臂光纤(205)穿过所述的传感光纤引入口(306)，并缠绕在传感臂弹性体(307)的外周，其末端装设有所述的传感臂反射镜(206)。
2.根据权利要求1所述的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头，其特征在于，所述的阻尼环(305)由聚氨酯、硅橡胶、塑料和皮革的其中之一制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种阻尼可调全光纤加速度微震监测传感器探头，其特征在于，传感光纤引入口(306)和光纤导入口(308)的孔口边缘为圆弧倒角。
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